Simulering av Planet Inredning differentieringsprocesser i laboratoriet
Summary
De högt tryck och hög temperatur experiment som beskrivs här härmar planet interiör differentieringsprocesser. Processerna visualiseras och förstås bättre med hög upplösning 3D-avbildning och kvantitativ kemisk analys.
Abstract
En planet inre står under högt tryck och höga temperaturer och har en skiktad struktur. Det finns två viktiga processer som ledde till att skiktad struktur, (1) genomströmning av flytande metall i en fast silikat matris genom planet differentiering, och (2) inre kärna kristallisering genom efterföljande planet kylning. Vi för högt tryck och hög temperatur experiment för att simulera båda processerna i laboratoriet. Bildning av percolative planet core beror på effektiviteten i smält perkolation, som kontrolleras av den tvåplansvinkel (blöta) vinkel. Genomströmning simuleringen omfattar uppvärmning av provet vid högt tryck till ett mål temperatur vid vilken järn-svavel-legering är smält medan silikat förblir fast, och sedan bestämma den sanna tvåplansvinkeln att utvärdera stilen av vätske migration i en kristallin matris med 3D-visualisering. 3D-volymen rendering uppnås genom skärning av återvunna provet med en fokuserad jonstråle (FIB) och TAkung SEM-bild av varje skiva med en FIB / SEM ställningar instrument. Den andra uppsättningen av experiment är utformat för att förstå den inre kärnan kristallisation och elementet fördelning mellan vätskan yttre kärnan och fast inre kärna genom bestämning av smälttemperaturen och elementet partitionering vid högt tryck. Smält experimenten utförs i multi städet apparater upp till 27 GPa och utvidgas till högre tryck i diamant-städet cell med laseruppvärmning. Vi har utvecklat metoder för att återvinna små uppvärmda prover av precisions FIB fräsning och få högupplösta bilder av laser-uppvärmda plats som visar smältande konsistens vid högt tryck. Genom att analysera de kemiska sammansättningarna enligt samexisterande vätskan och fasta faser, vi exakt bestämma likvidustemperaturen kurva, vilket ger erforderliga data för att förstå den inre kärnan kristallisationsprocessen.
Introduction
Jordlika planeterna såsom jorden, Venus, Mars och Merkurius är differentierade planeter som består av ett silikat mantel och en metallisk kärna. Den moderna planetbildning modell tyder på att jordlika planeterna bildades av kollisioner från Moon-till-Mars stora planetembryon vuxit från km stora eller större planetesimaler genom gravitationella växelverkan 1-2. De planetesimaler var sannolikt differentierade redan när de metalliska järnlegeringar nådde smälttemperatur på grund av värme från källor såsom radioaktivt sönderfall av kortlivade isotoper såsom 26 Al och 60 Fe, påverkan, och frisättning av potentiell energi 3. Det är viktigt att förstå hur den flytande metallen trängt igenom ett silikat matris under tidig differentiering.
Planet differentiering skulle kunna fortsätta genom effektiv vätske-vätske separering eller genom filtrering av flytande metall i en fast silikat matris, beroendepå storleken och inre temperatur av planetorgan. Den genomströmning av flytande metall i den fasta silikat matris sannolikt dominerande processen i den initiala differentiering när temperaturen inte är tillräckligt hög för att smälta hela planetkropp. Effektiviteten för perkolation beror på tvåplansvinkel, bestäms av gränsskiktsenergierna hos de fasta fast och fast substans-vätske-gränssnitt. Vi kan simulera denna process i laboratoriet genom att utföra högtrycks-och högtemperatur-experiment på en blandning av järn-legering och silikat. Nya studier 4-7 har undersökt blöta förmåga legeringar flytande järn i en fast silikat matris vid högt tryck och temperatur. De använde en konventionell metod för att mäta de relativa frekvensfördelningarna av uppenbara dihedrala vinklar mellan släcktes flytande metallen och silikat korn på de polerade tvärsnitt för att bestämma den sanna tvåplansvinkel. Det konventionella förfarandet ger relativt stor uncertainties i den uppmätta tvåplansvinkeln och eventuell partiskhet beroende på provtagningsstatistik. Här presenterar vi en ny bildteknik för att visualisera fördelningen av flytande metall i silikatet matrisen i tre dimensioner (3D) genom kombination av FIB fräsning och högupplöst fältemissions SEM-avbildning. Det nya bildteknik ger exakt bestämning av tvåplansvinkel och kvantitativt mått på volymfraktionen och uppkopplingen av den flytande fasen.
Jordens kärna bildades på relativt kort tid (<100 miljoner år) 8, förmodligen i flytande form vid dess tidiga historia. Mars och Merkurius har också flytande kärnor baserade på sol tidvatten deformation från Mars Global Surveyor spårnings radio uppgifter 9 och radar speckle mönster knutna till planet rotation 10, respektive. Termiska utvecklingen modeller och högtryckssmält experiment på kärnmaterial ytterligare stödja en vätska Martian kärna11-12. Nya Messenger rymddata ger ytterligare bevis för en flytande kärna av Mercury 13. Även den lilla månen har troligen en liten flytande kärna baserad på senaste ny analys av Appollo lunar seismograms 14. Flytande planetkärnor är förenliga med hög anhopning energi i ett tidigt skede av planetbildning. Efterföljande kylning kan leda till bildning av fast inre kärna för vissa planeter. Seismiska data har visat att jorden består av en flytande yttre kärna och en fast inre kärna. Bildningen av den inre kärnan har viktiga implikationer för dynamiken i kärnan drivs av termiska och sammansättnings convections och alstringen av det magnetiska fältet av planeten.
Solidifiering av den inre kärnan styrs av smälttemperaturen för kärnmaterial och den termiska utvecklingen av kärnan. Kärn bildandet av jordlika planeterna delade liknande ansamlingsvägar och den kemiska sammansättningen av kärnorna anses till be domineras av järn med ca 10 vikt% lätta element såsom svavel (S), kisel (Si), syre (O), kol (C) och väte (H) 15. Det är viktigt att ha kunskap om de smältande relationer i de system som är relevanta för kärnan, t.ex. Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FEH och Fe-FeSiat högt tryck, för att förstå sammansättningen av planeternas kärnor. I denna studie kommer vi att visa experiment som utförts i flera städenhet och diamant-städet cell, imitera villkoren för planetkärnor. Experimenten ge information om kristallisationssekvens och elementet fördelning mellan fast och flytande metall, vilket leder till en bättre förståelse för de krav som den inre kärnan kristallisering och distribution av lätta element mellan den kristallina inre kärnan och vätska ut kärnan. För att förlänga smält relationer till mycket höga tryck, har vi utvecklat nya tekniker för att analysera de kylda proverna återhämtat sig från laser-uppvärmda diamant-anvil cellförsök. Med precision FIB fräsning av laseruppvärmning plats bestämmer vi smälta med hjälp av släck textur kriterier avbildas med hög upplösning SEM och kvantitativ kemisk analys med en kisel drift detektor vid submikron rumslig upplösning.
Här redogör vi för två uppsättningar av experiment för att efterlikna planetkärnbildning genom filtrering av metallisk smälta i silikat matris under tidig anhopning och inre kärna kristallisering med efterföljande kylning. Simuleringen syftar till att förstå de två viktigaste processerna under evolutionen av planet kärna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Teknikerna för de fler mothållsdelarna experiment är väl etablerade, generera stabilt tryck och temperatur under en utsträckt period av körning och producerar relativt stor provvolym. Det är ett kraftfullt verktyg för att simulera de inre processer av planeter, särskilt för experiment, såsom smält perkolation, som kräver viss provvolym. Begränsningen är det maximala tryck, upp till 27 GPa med volframkarbid (WC) städ, når kärn trycket från Mars och Merkurius, men alldeles för lågt tryck för att nå …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NASA bidrag NNX11AC68G och Carnegie Institution of Washington. Jag tackar Chi Zhang för hans hjälp med datainsamling. Jag tackar också Anat Shahar och Valerie Hillgren för hjälp recensioner av detta manuskript.
Materials
| Multi-anvil apparatus | Geophysical Lab | Home Builder | |
| Diamond-anvil cell | Geophysical Lab | Home Builder | |
| Laser-heating system | APS GSECARS | Designed by beamline staff | Public beamline |
| FIB/SEM Crossbeam | Carl Zeiss Ltd. | Auriga | |
| Avizo 3D software | VSG | Fire for materials science |
References
- Wetherill, G. W. Formation of the terrestrial planets. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).
- Chambers, J. E. Planetary accretion in the inner Solar System. Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).
- Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System. Nature. 435, 916-918 (2005).
- Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. Percolative core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).
- Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase. Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions. Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).
- Halliday, A. N., Wood, B. J. How did Earth accrete?. Science. 325, 44-45 (2009).
- Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. Fluid core size of Mars from detection of the solar tide. Science. 300, 299-303 (2003).
- Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. Large longitude libration of Mercury reveals a molten core. Science. 316, 710-714 (2007).
- Fei, Y., Bertka, C. M. The interior of Mars. Science. 308, 1120-1121 (2005).
- Williams, J. -. P., Nimmo, F. Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo. Geology. 32, 97-100 (2004).
- Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER. Science. 336, 214-217 (2012).
- Weber, R. C., Lin, P. -. Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. Seismic detection of the Lunar core. Science. 331, 309-312 (2011).
- Li, J., Fei, Y., Carlson, R. W. Experimental constraints on core composition. Geochemistry of the Mantle and Core. , 521-546 (2007).
- Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).
- Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. The structure of iron in Earth’s inner core. Science. 330, 359-361 (2010).
- Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).
- Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. Textural entrapment of core-forming melts. Science. 272, 530-533 (1996).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation. Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).
- Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure. Science. 275, 1621-1623 (1997).
- Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound. American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).
- Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. Sulfur in the Earth’s inner core. Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).
- Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury’s snowing core. Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).
- Buono, A. S., Walker, D. The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa. GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).
- Ito, E., Yamazaki, D., et al. Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils. Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).
- Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation. Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).
- Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites. Geosphere. 7, 40-45 (2011).
- Watson, H. C., Roberts, J. J. Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography. Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).
- Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. Toward an internally consistent pressure scale. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).
